湿地生态系统中微塑料污染及迁移转化研究进展.pdf

第 19 卷 第 4 期湿地科学与管理 Vol.19No.4 2023 年 8 月WETLAND SCIENCE&MANAGEMENT aug.2023随着全球经济的快速发展、工业化的水平提高和人口剧增，由此产生了大量的塑料污染，对人类健康和自然生态环境已构成了严重威胁。微塑料是指直径小于 5 mm 的塑料碎片或颗粒（Thompsonetal.,2004），具有体积小、比表面积大、吸附污染物能力强等特点（屈沙沙等,2017）。微塑料污染已分布和渗透地球各个角落，在南太平洋（Bakiretal.,2020）、南 北 极（Gonzlezetal.,2020;Fangetal.,2021）、阿尔卑斯山（Melanieetal.,2019）等偏远地区已检测出各种各样的微塑料，表现出其在物理作用下具有强大的迁移能力，而在潮间带（孙聪惠，2018）、河流（Niuetal.,2021；Wangetal.,2021）、湖泊（Manikandaetal.,2021）、湿地（Liuetal.,2019）、水库（Lietal.,2021）、污水处理厂（Bayoetal.,2020）、农田（程万莉等，2020）更是普遍存在，均能检测出不同类型和不同粒径大小及不同颜色的微塑料。在自然界的生命体中，也避免不了遭受微塑料的危害，比如在鸟类（Reynoldsetal.,2018）、鱼类（Cordovaetal.,2020）、蜻蜓幼虫（Chagasetal.,2020）等生物体内，以及在人类经常食用和饮用的鸡肉（Huangetal.,2020）、食盐（Gndogdu,2018）、自来水和啤酒中（Maryetal.,2018）也检测出含有微塑料。近年来，关于湿地生态系统中微塑料的前沿科学研究呈指数增长，许多国内外学者研究得出湿地作为介于海洋和陆地之间的重要生态系统，微塑料已广泛分布于沉积物、水体及植物、鸟类、鱼类等Abstract Microplastics are ubiquitous in the natural environment and are a new type of pollutant that is difficult to degrade.The sources,pollution characteristics,migration and transformation of microplastics in wetland ecosystems were reviewed.The effects of microplastics on aquatic animals,plants and microorganisms in wetland ecosystems were analyzed.The research direction of microplastic pollutants in wetland ecosystems was prospected.By analyzing the distribution,migration and transformation of microplastics in wetland ecosystems and their effects on organisms,it provides technical and theoretical support for finding out the current status of microplastic pollution in wetland ecosystems.Key words Wetland ecosystems;Microplastics;Pollution characteristics;Migration and transformation湿地生态系统中微塑料污染及迁移转化研究进展许铭宇1,2（1深圳坤元生态科技有限公司，广东深圳518021；2仲恺农业工程学院，广东广州510225）摘要 微塑料在自然环境中无处不在，是一种难以降解的新型污染物，近年来成为研究热点。通过综述湿地生态系统中微塑料的来源、污染特征及迁移转化的研究进展，分析了微塑料对于湿地生态系统中水生动植物和微生物的影响，并对湿地生态系统微塑料污染物研究方向进行了展望。通过对湿地生态系统中微塑料的分布、迁移转化和对生物影响进行分析，为摸清湿地生态系统中微塑料污染现状提供了技术理论支持。关键词 湿地生态系统；微塑料；污染特征；迁移转化中图分类号：X502 文献标识码：A 文章编号：1673-3290(2023)04-0092-05Research Progress on Microplastic Pollution,Migration and Transformation in Wetland EcosystemsXU Ming-yu1,2(1 Shengzhen Kunyuan Ecological Science and Technology Co.,Ltd.,Shengzhen 518021,Guangdong,China;）2 South China University of Technology,Guangzhou 510006,Guangdong,China）收稿日期：2023-02-16基金项目：2021 年广东省自然资源事务（生态林业建设）专项基金项目：基于鸟类保护的湿地植物景观研究（粤财资环（2020）15号）；广东省教育厅特色创新项目（2015KTSCX062）；广东省普通高校工程技术研究中心项目（2016GCZX001）；广东省科技计划项目（2015A090905004）；广东省农业技术需求研究与示范项目（2017LM4170）作者简介：许铭宇（1991），男，广东汕尾人，工程师，主要从事植物资源应用、生态环境修复。E-mail:DoI:10.3969/j.issn.1673-3290.2023.04.1993 第 4 期第 19 卷 第 4 期湿地科学与管理 Vol.19No.4 2023 年 8 月WETLAND SCIENCE&MANAGEMENT aug.2023生物中，严重危害湿地生态资源环境。本文通过文献资料调查，分析了微塑料在湿地生态系统中的来源，综述了微塑料的污染特征和迁移转化以及对生物毒理的影响，为我国开展湿地生态系统中微塑料污染特征、生物毒性效应和污染防控等方面的基础应用研究提供参考。1 湿地生态系统中微塑料的来源、污染特征及迁移转化1.1 湿地生态系统中微塑料的来源及污染特征湿地生态系统中微塑料主要来源于污水处理厂中生活污水和工业废水排放、雨水地表径流携带物、大气运输沉降、畜禽和水产养殖以及人类活动过程中产生的塑料废物（许霞等,2018）。在自然环境中的微塑料可以被鱼类、鸟类、植物等生物摄入，然后再次释放到环境中，由此在湿地中不断积累沉淀（Hortonetal.,2018;Lourencoetal.,2017）。在湿地生态系统中微塑料检测中的主要聚合物组分有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚苯乙烯（PS），可能归根于这 4 种塑料的高生产性（Tom etal.,2018）和与其它聚合物相比更具有抗降解能力（Paduanietal.,2020）。湿地中最为常见的塑料形态为纤维、碎片、薄膜。Lourenco 等（2017）在南欧和西非 3 个潮间带湿地沉积物进行微塑料分布检测，发现纤维含量最多，高达 99.8%，纤维塑料中有各种颜色，包括有黑色（36.3%）、白色（28.8%）、蓝色（15.5%）、红色（1.11.7%）、绿色（5.1%）、棕色（2.7%）。Naji 等(2019)对伊朗拉姆萨尔湿地研究发现纤维（56%）是鉴定出的最常见的微塑料类型，其次是碎片（35%）、薄膜和颗粒各占4%，主要颜色有黑色（41%）、蓝色（18.4%）、白色（17.6%）、绿色（8.2%）、红色（7%）、橙色（4%）、粉色（3.2%）。1.2 湿地生态系统中微塑料的迁移转化微塑料在湿地生态系统中的迁移转化途径具有规律性，一般在水土环境及不同生物之间进行迁移和转化。由于湿地生态系统中微塑料颗粒物的大小范围与许多鸟类、鱼类、蚯蚓、浮游动物的食物大小类似，常常被误食（Lusheretal.,2017）。Chevonne 等（2018）对南非湿地系统中 7 种鸭的粪便和羽毛刷中的微塑料污染物进行了量化，发现 5%的粪便样本和 10%的羽毛样本含有微塑料纤维。刘淑丽等（2019）对马来西亚 Setiu 湿地研究证明微塑料会被滤食双壳贝类和鱼类摄入，且微塑料可从外环境转移到生物体内，大部分的微塑料可通过动物粪便排出体外，从而又进入到水土环境中，形成了微塑料物质循环。湿地环境中最主要的塑料聚合物组分为 PE 和 PP，这两种类型的聚合物密度都比较小，比表面积大，容易漂浮在水中，一部分会随着水流冲走，另一部分会滞留在水中，然后吸附水体环境中的污染物使其重量增加，因此，密度小的微塑料能从水中迁移至沉积物中（翟俊等,2021），而像 PS 和 PVC 这类高密度微塑料能直接下沉并积累在沉积物中（Franzellittietal.,2017）。1.3 微塑料污染的浓度效应微塑料粒径相对较小，易与环境中的生物相互作用，可通过多种不同途径进入生物体内，并在其组织和器官中积存和转移，不同微塑料浓度对湿地生物的危害程度不一致。蚯蚓暴露在浓度为 1.5 g/kg 低密度聚乙烯中在 28 d 后出现表面损伤，在浓度为 1.0 g/kg 时，过氧化氢酶活性和丙二醛含量显著提高（Chenetal.,2020）。螃蟹在增重率、比生长率和肝体指数随微塑料浓度（0g/L、40g/L、表 1 湿地生态系统中微塑料的污染特征Table 1 Pollution characteristics of microplastics in wetland ecosystems国家 名称 塑料形态 主要成分 尺寸大小 丰度范围 文献来源中国黄河三角洲湿地纤维、颗粒、PE、PET、PS13m 5 mm80 4 640 个/kg岳俊杰等（2021）碎片、薄膜鄱阳湖湿地纤维、碎片、PE、PP、PS0025 5 mm938 个/kg简敏菲等（2018）薄膜、发泡晋江河口红树林湿地纤维、薄膜、PE、PP、PET0.038 0.5 mm490127.3 1 17099.0 Deng et al（2020）颗粒、碎片个/500g珠江口红树林湿地纤维、碎片PP、PE 0.5 mm100 7 900 个/kgZuo et al（2020）伊朗Anzali Wetland纤维、碎片、PE、PP、PET1 2 mm沉积物：140 2 820 和Rasta et al（2020）薄膜113 3 690 个/kg水体：0.40 4.41 和0.19 2.85 个/m3美国华盛顿潮汐淡水湿地纤维、碎片PS、PE0.1 5 mm23 2002 500/m2和Helcoski et al（2020）1 270150/kg许铭宇：湿地生态系统中微塑料污染及迁移转化研究进展94湿地科学与管理 第 19 卷400g/L、4 000g/L 和 40 000g/L）的增加而降低，而且还降低了编码 ERK、AKT 和 MEK 的基因表达（Yuetal.,2018）。长期生活在微塑料浓度高于200 个/L 的环境中，大菱鲆幼鱼的死亡率显著增加（李庆洁等,2020）。当然，微塑料污染除了跟浓度有很大关系，也跟其材质类型、尺寸大小有着密切联系。2 微塑料对湿地生态系统的影响2.1 微塑料对湿地动物的影响湿地动物主要包括鸟类、爬行类、两栖类、鱼类、兽类、无脊椎动物甲壳类等。微塑料颗粒相对较小，可被大量动物误以为是食物，从而摄入到体内，导致胃肠道堵塞、细胞坏死、炎症等（Seonetal.,2016）。刘淑丽等（2019）在鄱阳湖湿地鸟粪内检测到颗粒类微塑料。Huang 等（2020）在湛江红树林湿地鱼类体内发现有微塑料，而且广泛存在。Hu 等（2016）发现聚苯乙烯微塑料可以被滤食性热带爪蟾蝌蚪较快地摄取和排出，同时还发现了水体中青鳉鱼口腔和肠道等部位均有微纤维，在研究阶段微纤维未对成鱼的生长状况和胚胎发育等造成显著危害。李勤（2020）等研究了聚氯乙烯对大型溞的毒性反应，发现微塑料的暴露对其生长和繁殖都产生了不利影响。2.2 微塑料对湿地植物的影响植物是湿地环境系统中的生产者，在养分循环过程中起着重要作用（郭雪莲等,2007），实验室和自然生长条件均已发现微塑料对植物影响的相关报道（Yangetal.,2020;Lietal.,2020）。翟俊等（2021）将微塑料对植物的影响分为直接影响和间接影响。直接影响是指水土环境中的微塑料通过被植物吸收到体内，阻隔植物吸收有机营养物从而抑制植物生长。Yang 等（2020）研究发现聚苯乙烯（PS）纳米塑料对大型植物香蒲的根系活力产生抑制作用，从而减少了对氮的吸收。Sun 等（2020）将两种聚苯乙烯纳米塑料与土壤混合然后种植拟南芥，发现两种不同类型的纳米塑料均能影响拟南芥生长表型，其根系生长也受到了抑制，地上鲜重比对照植物减少 51.5%。吴佳妮等（2020）发现聚苯乙烯纳米塑料在浓度 200 mg/L 时，对大豆幼苗生长的毒害作用最大。Wu 等（2020）发现微塑料可以改变水稻的代谢系统来影响水稻的产量，使其生物量降低了 25.9%。廖苑辰等（2019）研究了聚苯乙烯微塑料对小麦的毒理作用，发现小麦的根和茎生长受到了抑制，对其叶片光合系统产生了损害。间接影响指的是不同类型和粒径的微塑料通过改变植物生境的方式影响湿地植物，主要为土壤环境、水体环境和大气环境等因子的影响。Hernndez等（2020）利用含有微塑料的污泥土壤作为基质种植番茄，发现番茄的生长不仅没有受到抑制，反而促进了成长，但减少了果实的产量。李瑞杰等（2020）发现小麦在砂培条件下能吸收聚苯乙烯微球，塑料微球进入根部维管柱后,通过维管组织运输到地上部的茎部维管束和叶片的脉管组织中，从而抑制植物生长。目前大多数研究只局限于实验室的模拟试验，与实际环境还存在差别，未来应加强对野外微塑料污染对植物影响的机理研究。2.3 微塑料对湿地微生物的影响微生物在湿地生态系统中是不可或缺的重要组成部分，参与湿地能量流动、物质循环和代谢，是湿地系统的分解者，在污染物降解过程中发挥重要作用（郑春雨等,2012）。微塑料的存在会影响微生物的组成和代谢活性，例如，Fei 等（2020）通过添加 1%和 5%的聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）微塑料，降低土壤细菌群落的丰富度和多样性。虽然大部分研究证明微塑料会影响微生物结构及多样性，但也存在可降解微塑料的微生物细菌，当微生物把微塑料聚合物作为碳源时，可将塑料聚合物矿化为二氧化碳和水（Emadianetal.,2017）。Mohan等（2016）发现了新分离的芽孢杆菌菌株具有降解高抗冲聚苯乙烯（HIPS）的功效，用芽孢杆菌菌株降解后，30 天内高抗冲聚苯乙烯膜的重量减少了23%。Keiko 等（2001）分离出应用于聚乙烯生物降解的真菌Penicilliumsimplicissimum。这些研究表明在自然界中存在某些能降解微塑料的功能型微生物菌。利用微生物处理法来降解微塑料具有环保能耗低、费用低、无二次污染等优点，因此，在微塑料防控中有较好应用前景。3 研究展望湿地生态系统中的鸟类、鱼类、两栖动物、植物等各组成要素的生物体内均检测有微塑料含量，在湿地沉积物和水体中的微塑料丰度最高，而且暴露在湿地水土环境中的微塑料更容易富集其它有机污染物和重金属，由此形成了复合型环境污染物。95 第 4 期微塑料污染已全面入侵湿地生态系统，严重破坏生态平衡。目前，虽然国内外已有学者关注到湿地生态系统中微塑料污染所造成的潜在危害，但关于湿地生态系统中微塑料的基础研究还处于初步实验室阶段，而对于如何降解和去除微塑料的应用研究更是处于空白阶段。因此，建议从以下 4 个方面开展湿地生态系统微塑料新型污染物的研究工作。1）大部分动物在湿地生态系统中属于消费者，食物链较为复杂。湿地中的动物种类丰富，目前国内外研究发现在湿地、农田和水体等环境中蝌蚪、蚯蚓、鱼类及鸟类均有微塑料含量，主要偏向于生物毒性效应研究，缺乏系统性的研究，其相互间的作用机理尚无相关报道。以动物之间摄食的关系为主线，可开展生物毒性与环境的响应关系研究。2）植物作为湿地生态系统中极其重要的组成部分，承担着为鱼类、鸟类和微生物提供栖息地的角色，同时在湿地的氮磷等污染物吸收、根系输氧、生态景观功能等方面也起着重要作用。虽然对于植物体内是否存在微塑料的报道相对较少，但目前已有相关学者研究发现湿地植物体的根茎叶均有微塑料分布，对植物生长产生抑制作用，同时也对减弱了植物净化污染物的能力。为摸清不同科属或不同乔灌草植物体内的微塑料分布特征及其对不同植物生长的影响研究具有重要意义。3）环境微生物是否能降解微塑料，这是当前相关学者最为关注的热点问题之一。现有研究表明，自然界存在部分可降解微塑料的微生物，但多集中在实验室阶段，与实际应用还有一定差距。在将来的研究中可重点应用现代分子生物学技术培养功能型微生物，研发能有效降解和去除微塑料的微生物菌剂，为减少环境微塑料污染提供技术支持。4）自然界中的微塑料对生物危害极大且难以被降解和去除，目前对于能解决微塑料污染的技术研究鲜有报道，因此，亟需研发针对湿地生态系统中新型有机污染物微塑料降解去除的新材料和新方法，如可尝试通过利用比表面积大、环境友好型铁基材料协同微生物联合吸附和降解微塑料等。参考文献程万莉,樊廷录,王淑英,等.2020.我国西北覆膜农田土壤微塑料数量及分布特征 J.农业环境科学学报,39(11):2561-2568.郭雪莲,吕宪国,郗敏.2007.植物在湿地养分循环中的作用J.生态学杂志(10):1628-1633.简敏菲,周隆胤,余厚平,等.2018.鄱阳湖-饶河入湖段湿地底泥中微塑料的分离及其表面形貌特征 J.环境科学学报,38(2):579-586.翟俊,晏记侠,饶逸飞,等.2021.湿地环境中微塑料分布及检测方法研究进展 J.土木与环境工程学报(中英文),43(2):158-167.季梦如,马旖旎,季荣.2020.微塑料圈:环境微塑料对微生物的载体作用 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